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王雨生，傅建祥
(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)編輯部，山東青島266109)
摘要：化石能源的日益緊缺及其衍生的環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重。生物質(zhì)能源的開發(fā)和應(yīng)用，以其可再生性和環(huán)保性，越來越受到人們的重視。就目前的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，其應(yīng)用形態(tài)，主要分為固態(tài)生物質(zhì)能源、液態(tài)生物質(zhì)能源和氣態(tài)生物質(zhì)能源三種。采用物理方法的生物質(zhì)固態(tài)成型技術(shù)的優(yōu)勢在于設(shè)備簡單，生產(chǎn)工藝簡便，利用方式簡潔，但也同樣存在著加工方式粗放，能源轉(zhuǎn)換效率低下等劣勢。液態(tài)生物質(zhì)能源能夠直接替代現(xiàn)在化石能源的可能性最大，但是它的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，專業(yè)化集成度較高，推廣有一定的限制。氣態(tài)生物質(zhì)能源利用最廣泛，主要有氣化發(fā)電和農(nóng)用沼氣等方式。存在的主要利用瓶頸就是氣態(tài)生物質(zhì)當(dāng)中含有多種雜質(zhì)，去除雜質(zhì)的方法缺乏。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，雖然生物質(zhì)能源的發(fā)展受到一些限制，但是隨著其利用技術(shù)的進(jìn)步和現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，生物質(zhì)能源的開發(fā)和利用前景很廣闊。
隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對能源的依賴程度越來越高。但人們也越來越清醒的認(rèn)識(shí)到，以煤、石油、天然氣為主的化石能源儲(chǔ)量有限，是不可再生能源。近百年來，全球各國不同程度的對化石能源進(jìn)行了過渡性開采，化石能源的枯竭已是遲早之事，已不能滿足人類飛速發(fā)展的需求。而且化石能源的集中大量消耗，對人類居住的環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，引發(fā)全球氣溫升高，從而影響了生態(tài)環(huán)境。因此，能源緊缺問題、環(huán)境污染問題已成為當(dāng)今世界必須面對解決的重要問題，開發(fā)新的可再生綠色能源，便成為各國面臨的重要課題。世界能源發(fā)展已進(jìn)入新一輪戰(zhàn)略調(diào)整期。_1]生物質(zhì)能源是目前人類可利用綠色可再生能源之一，世界能源委員會(huì)將生物質(zhì)能源列為可再生能源的首選。生物質(zhì)能源分布廣泛，幾乎處處都有，各國對生物質(zhì)能源的開發(fā)與利用早已如火如荼的展開了，有些技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。
1生物質(zhì)能源概述
1.1生物質(zhì)能源的生成機(jī)理.
生物質(zhì)能源是地球上最普遍的一種可再生能源，它是通過植物光合作用，將太陽能以化學(xué)能的形式貯存在生物體內(nèi)的一種能量形式，被稱為綠色能源。狹義的生物質(zhì)一般是指植物體在生長過程中，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并存儲(chǔ)在植物體各個(gè)器官內(nèi)的能源物質(zhì)形式。廣義的生物質(zhì)還包括以植物體或某器官為食物而轉(zhuǎn)化至動(dòng)物、微生物等生命體獲得的能源物質(zhì)形式，包括利用現(xiàn)代技術(shù)加工生物體或器官后剩余的廢棄物等。因此，生物質(zhì)能源從根本上說，來源于太陽能，使所存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)移至生物質(zhì)依賴于光合作用，作用如下：
因此生物質(zhì)主要為含碳、氫有機(jī)物，具有含硫、氮少，CO2排放幾乎為零的優(yōu)點(diǎn)，另外一般還含有少量的鉀、鈉等金屬元素。
1.2生物質(zhì)能源開發(fā)研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀
人類對生物質(zhì)能源的利用不是剛剛開始，100多年前，人們對化石能源的依賴程度還不高，能源便主要來自于生物質(zhì)。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，對能源的需求急劇增加，隨著煤炭開采業(yè)的發(fā)展，煤炭迅速替代生物質(zhì)，成為人類主要能源來源，生物質(zhì)能源在人類消耗的能源中的比例逐步縮小。
1.2.1國外研究現(xiàn)狀
目前，許多國家對生物質(zhì)能源開發(fā)利用已進(jìn)行了大量研究和實(shí)踐。生物質(zhì)固化成型技術(shù)在歐美、日韓等國家已比較成熟，生物質(zhì)固化燃料在日、美等國家已經(jīng)商品化，工業(yè)生產(chǎn)、家庭采暖等均有使用。
日本和歐美等國家的小型生物質(zhì)燃料設(shè)備已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，在供暖、發(fā)電領(lǐng)域得到普遍推廣。國外已有較先進(jìn)的流化床反應(yīng)器、循環(huán)流化床反應(yīng)器、真空熱裂解反應(yīng)器等生物質(zhì)制備設(shè)備。美國在生物質(zhì)氣化發(fā)電方面處于世界領(lǐng)先地位，發(fā)電量已超過其利用風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮馨l(fā)電的總和。1980年，美國提出以生物柴油代替化石柴油戰(zhàn)略，2005年成為世界第一燃料乙醇生產(chǎn)大國。巴西長期以來將推廣乙醇燃料作為國家重要能源政策之一。美國和巴西是世界上最大的燃料乙醇生產(chǎn)國。
1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國生物質(zhì)直燃發(fā)電和氣化發(fā)電已逐步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，燃料乙醇技術(shù)正在起步應(yīng)用，已建成燃料乙醇示范廠；生物柴油技術(shù)已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)示范階段；大中型制氣工程工藝技術(shù)已日趨成熟。生物質(zhì)的直接、間接液化生產(chǎn)液體燃料技術(shù)準(zhǔn)備進(jìn)行工業(yè)示范。據(jù)估算，地球上每年光合作用產(chǎn)生的生物質(zhì)能量是世界主要燃料消耗的10倍，而其利用量還不到1％。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，具有豐富的農(nóng)林生物質(zhì)資源，因此，開發(fā)生物質(zhì)能源具有深遠(yuǎn)的意義，應(yīng)用前景廣闊。
1.3生物質(zhì)能源的幾個(gè)主要來源途徑
目前，用于生物質(zhì)能源開發(fā)的主要是非糧生物質(zhì)，如作物秸稈、林場枝葉廢棄物，畜牧糞便、動(dòng)物產(chǎn)品下腳料，生活垃圾，城市有機(jī)廢水和污泥等。長期以來，人們對生物質(zhì)資源中的固體廢棄物常用的處理方法為堆肥、填埋、焚燒等。堆肥法和填埋法周期長，且容易對土壤和水資源造成二次污染；焚燒法可以利用其熱值，但投資巨大，成本高，容易造成大氣污染。因此，這些廢棄物的有效利用不僅可以增值形成新能源，還可以解決環(huán)境污染問題。
1.3.1作物秸稈
農(nóng)作物秸稈是非常豐富的可再生生物質(zhì)資源，包括小麥、玉米、高粱、棉花、大豆、水稻等農(nóng)作物收獲后的廢棄部分，還包括農(nóng)產(chǎn)品加工后的廢棄部分，如甘蔗渣。我國每年產(chǎn)秸稈量相當(dāng)于3.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤，去除工業(yè)使用、粉碎還田、飼料、培養(yǎng)食用菌、農(nóng)戶炊事及取暖焚燒等使用外，至少剩余30％，常直接被焚燒，不僅造成大量能源資源浪費(fèi)，而且導(dǎo)致環(huán)境污染。因此，將廢棄的秸稈充分利用，既可以提取所含能量，又可以改善農(nóng)村環(huán)境，減少空氣污染，利用后的秸稈灰還可以直接返田增加土壤無機(jī)肥料。
1.3.2畜禽糞便
我國畜禽業(yè)比較發(fā)達(dá)，養(yǎng)殖的畜禽主要為牛、豬、雞。家庭圈養(yǎng)、散養(yǎng)的畜禽糞便搜集不便，且很多養(yǎng)殖戶直接將糞便漚肥用于肥田；但規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場，每年產(chǎn)生大量養(yǎng)殖糞便和污水，有機(jī)物的閑置對環(huán)境和地下水造成了極大污染。我國每年有25億t畜牧糞便和大量有機(jī)廢棄物閑置或浪費(fèi)，其熱值相當(dāng)于3億t標(biāo)準(zhǔn)煤，理論上可生產(chǎn)約750億m3沼氣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年我國畜牧糞便實(shí)物量為12.47億t，其中可開發(fā)部分總量為8.84億t，預(yù)計(jì)2015年規(guī)模化糞便實(shí)物量將達(dá)到32.5億t。畜牧糞便資源巨大，而且逐年增加，是沼氣產(chǎn)業(yè)重要的原料來源。
1.3.3園林、林業(yè)廢棄物
為改善城市生態(tài)環(huán)境，我國非常重視城市綠化質(zhì)量。據(jù)資料顯示，2011年，我國城市建成區(qū)綠化覆蓋面積已達(dá)到161.2萬hm2，綠化覆蓋率為38.62％。隨著城市園林綠化業(yè)的繁榮，每年都有大量殘枝落葉和草坪修剪廢棄物。我國林地、林廠木材加工殘余料及樹林廢棄物每年約有2億萬t未被利用，不進(jìn)行妥善處理，極易構(gòu)成火災(zāi)隱患。林業(yè)廢棄物、木材加工剩余物、園林綠化剩余物資源集中，收集方便，是可有效開發(fā)的重要生物質(zhì)資源。
1.3.4其他生物質(zhì)資源
工業(yè)生產(chǎn)有機(jī)廢棄物、污水及城市生活餐廚垃圾等蘊(yùn)藏著大量的生物質(zhì)能源。城市生活垃圾中約有30％為有機(jī)垃圾，我國生活垃圾年產(chǎn)量達(dá)2億t，且每年以10％速度增長，對環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重危害。食品加工、畜禽屠殺、水產(chǎn)養(yǎng)殖和漁業(yè)、制糖、釀酒、造紙等行業(yè)每年產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物非常可觀。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅農(nóng)產(chǎn)品加工行業(yè)每年產(chǎn)生的廢棄物可產(chǎn)500億m3沼氣。城市垃圾、工業(yè)生產(chǎn)有機(jī)廢棄物相對比較集中，非常利于搜集。
另外，我國糧食主產(chǎn)區(qū)的陳化糧也是非常可觀的生物質(zhì)資源，除工業(yè)生產(chǎn)外，必要時(shí)也可以作為能源資源使用，但要注意防止“與人爭糧”。其他的還有甘蔗、木薯、菊芋、高粱等。在貧瘠土地上可茂盛生長的各種植物，均為豐富可開發(fā)的生物質(zhì)資源。吳志莊等還提出，可以利用我國資源豐富、分布廣泛的竹類資源，以竹類加工剩余物(約占60％)為原料可以生產(chǎn)生物乙醇，還可以進(jìn)行發(fā)電。
2生物質(zhì)能源的主要應(yīng)用技術(shù)
生物質(zhì)能源的利用主要通過物理法、化學(xué)法和生物法等技術(shù)手段，將生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可直接使用的能源物質(zhì)。從轉(zhuǎn)化產(chǎn)品的狀態(tài)來看，可以有固態(tài)能源、液態(tài)能源、氣態(tài)能源。固態(tài)能源主要為生物質(zhì)顆粒；液態(tài)能源有生物乙醇、生物柴油、裂解油等；氣態(tài)能源有沼氣、氫氣、生物質(zhì)燃?xì)獾取?/p>
2.1固態(tài)生物質(zhì)能源的應(yīng)用技術(shù)
2.1.1固態(tài)生物質(zhì)能源的成型機(jī)理
生物質(zhì)原材料一般質(zhì)地松散，含水量大，空間占用量大，不易倉儲(chǔ)和運(yùn)輸，燃燒效率低，因此，大部分生物質(zhì)原材料使用前需要處理。一般將生物質(zhì)原材料進(jìn)行干燥、粉碎或切斷，或首先經(jīng)過炭化工藝，再壓縮，靠原料內(nèi)部的粘結(jié)力互相嚙合在一起而成型，從而使松散、多水分的生物質(zhì)原材料變?yōu)樗沙诿芏群蛷?qiáng)度均較高的固體成型燃料或顆粒狀材料，便于運(yùn)輸，燃燒效率高。通常，生物質(zhì)材料中纖維素和木質(zhì)素的含量影響常溫下顆粒成型的難易，成型燃料的松弛密度和耐久性可反映其性能。用于成型的生物質(zhì)原材料多為秸稈、林場廢棄物等，也有將畜禽糞便加工為生物質(zhì)顆粒物的。齊菁等研究了稻殼生物質(zhì)顆粒的成型機(jī)理，用電子顯微鏡觀察了顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)，成型效果好，認(rèn)為可以作為生物質(zhì)顆粒。魏偉研究了以油茶果殼為原料的固體燃料成型規(guī)律，并設(shè)計(jì)了一條理論上年產(chǎn)4萬t的顆粒燃料加工生產(chǎn)線。錢新鋒提出，將園林修剪物等炭化處理制備生物碳，還可用于改善土壤環(huán)境。
2.1.2固態(tài)生物質(zhì)能源的生產(chǎn)設(shè)備
用于生物質(zhì)原材料成型的設(shè)備有螺旋擠壓式、活塞沖壓式和模壓式3類。國內(nèi)大部分采用模壓式生產(chǎn)工藝，主要有冷壓成型、熱壓成型和炭化成型。模壓成型的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，原料適應(yīng)性強(qiáng)。霍麗麗_2等的研究為生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)具的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，目前，我國自主研發(fā)的成型設(shè)備已達(dá)國際先進(jìn)水平，2013年，江蘇新能源技術(shù)有限公司將3.3×107t固體成型燃料出口至日本，表明我國固體成型燃料已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)商品化。
2.1.3固態(tài)生物質(zhì)能源的缺點(diǎn)
缺點(diǎn)主要有：常用成型設(shè)備生產(chǎn)效率低下，原料適應(yīng)性低，能耗高，設(shè)備關(guān)鍵部件(如模具)磨損快，因而發(fā)展速度相對緩慢。另外，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度低，應(yīng)盡快完善相應(yīng)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，使產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)發(fā)展相應(yīng)的配套設(shè)備，如提供部件統(tǒng)一的燃燒爐，以供標(biāo)準(zhǔn)化的成型生物質(zhì)燃料得以高效率地燃燒。
2.2液態(tài)生物質(zhì)能源的應(yīng)用技術(shù)
根據(jù)聯(lián)合國能源組織的評估，地球的石油儲(chǔ)量正在急劇減少，尋找新型液體燃料已日益受到世界各國的重視。可再生能源有太陽能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能，生物質(zhì)是可再生能源中唯一可以制得液態(tài)能源的材料，因此生物質(zhì)液態(tài)能源的發(fā)展應(yīng)是能源戰(zhàn)略發(fā)展的重點(diǎn)。利用生物技術(shù)，在酶等微生物的作用下，可將某些生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)乙醇及其他化工原料，也可以利用化學(xué)方法制得生物柴油等燃料，可廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
2.2.1生物乙醇的形成機(jī)理
經(jīng)歐美等國家的長期實(shí)踐證明，生物乙醇是替代石油的主要選擇。植物通過光合作用，將太陽能儲(chǔ)存于植物體內(nèi)，形成生物質(zhì)能。利用生物技術(shù)，將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為生物乙醇，作為能源使用。其循環(huán)如圖1所示。理論上，光合作用合成1分子葡萄糖需要6分子CO2，酒精發(fā)酵和燃燒共釋放6分子CO2，所以，酒精燃燒并不增加大氣中CO2濃度。工業(yè)生產(chǎn)中，首先將糖類降解為酸，并在各種酶的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)橐胰┘癈O2，進(jìn)而再轉(zhuǎn)變?yōu)橐掖肌Ｗ鳛槿剂嫌靡掖迹掖己恳筮_(dá)到99.5％，所以生物乙醇的生產(chǎn)過程中對脫水處理要求嚴(yán)格。
2.2.2生物乙醇的生產(chǎn)材料
生產(chǎn)生物乙醇的材料主要有糖類、淀粉類和纖維木質(zhì)素類。在原料方面，美國主要采用玉米生產(chǎn)生物乙醇；巴西是全球第二大生物乙醇生產(chǎn)國，幾乎所有生物乙醇都是用甘蔗生產(chǎn)；歐盟以小麥和甜菜為主，中國則以玉米、小麥、木薯為主。
根據(jù)《國家能源科技“十二五”規(guī)劃》，2010年，我國燃料乙醇產(chǎn)量為1.69×106t，2015年將再增加3.0×106t。我國人多地少，基本國情決定了利用玉米進(jìn)行醇化加工生成生物乙醇(又稱為第一代生物乙醇)必將陷入“與人爭糧、與糧爭地”的困境。第二代生物乙醇是將秸稈、木材中的纖維素降解進(jìn)行轉(zhuǎn)化，目前有濃酸水解、稀酸水解、酶催化水解等方法。這些方法或條件要求苛刻，或效率低、速度慢，或高能耗、不綠色，所以第二代生物乙醇目前還停留在技術(shù)研究中試階段。可替代第一代生物乙醇原材料——玉米的甜高粱、木薯等非糧能源作物，可以較好的生成生物乙醇，又稱為1.5代生物乙醇。
甜高粱和木薯等可在鹽堿地、沙地等低質(zhì)土地生長，產(chǎn)量較高，是當(dāng)前發(fā)展燃料乙醇的較好原料。目前，我國生物乙醇生產(chǎn)原料主要依賴陳化糧，成本過高，需要依賴國家補(bǔ)貼。而我國沿海等地區(qū)尚有大量低質(zhì)土地未開發(fā)利用，可以發(fā)展種植甜高粱等能源作物。清華大學(xué)研發(fā)的甜高粱連續(xù)固體發(fā)酵生產(chǎn)乙醇技術(shù)具有國際領(lǐng)先水平，將推動(dòng)中國生物乙醇能源的發(fā)展。因此，大力開發(fā)鹽堿地、沙地等荒地，研究種植甜高粱等非糧能源作物，將可以有效降低1.5代生物乙醇生產(chǎn)成本，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)早日商業(yè)化發(fā)展。
生物乙醇的迅猛發(fā)展，使得作為原料的農(nóng)產(chǎn)品的價(jià)格與能源價(jià)格緊密相連。能源作物價(jià)格優(yōu)勢甚至?xí)股植莸刂饾u變?yōu)槟茉醋魑锏姆N植地，從而對環(huán)境產(chǎn)生不利影響。倪紅艷等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)乙醇玉米需求占產(chǎn)量比重達(dá)到15％時(shí)，玉米價(jià)格會(huì)大幅上漲，同時(shí)飼料、工業(yè)及食用玉米需求下降幅度也比較大，此時(shí)會(huì)對我國的糧食安全形成較大壓力。
若乙醇玉米占用耕地過多，必將影響糧食安全，因此必須尋找其他生物質(zhì)原料。目前，我國已經(jīng)形成了“不與人爭糧，不與糧爭地”的基本共識(shí)，發(fā)展生物乙醇開始向“非糧”原料轉(zhuǎn)移，充分利用農(nóng)副產(chǎn)品或其加工剩余物。牟曉紅等以花生殼為原料，用混合菌種發(fā)酵法提取生物乙醇，發(fā)酵得到的乙醇轉(zhuǎn)化率為46.06％，乙醇得率為14.65％。于洪久等以不同的處理方式和反應(yīng)條件提高菊芋生產(chǎn)生物乙醇的生產(chǎn)率。與此同時(shí)，以海洋藻類為原料的第三代生物乙醇技術(shù)的研發(fā)也正在成為能源領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。張志奇等采用發(fā)酵法，以海帶為原料，在實(shí)驗(yàn)室中提取了生物乙醇。錢龍等認(rèn)為，篩選厭氧海藻酸降解菌，并進(jìn)行基因工程改造，強(qiáng)化乙醇生成途徑，是一種頗有前景的方案。另外，劉政坤通過對甘蔗渣的酶解液進(jìn)行發(fā)酵顯示，滸苔酶解液在還原糖利用率、葡萄糖利用率、乙醇產(chǎn)率方面都比甘蔗渣高。以滸苔為原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇展現(xiàn)了良好應(yīng)用前景。
2.2.3生物乙醇的應(yīng)用
生物乙醇除了做燃料乙醇外，還可以用于工業(yè)生產(chǎn)。乙烯是一種重要的化工產(chǎn)品，需求量很大。長期以來，乙烯的生產(chǎn)嚴(yán)重依賴于化石能源。化石能源危機(jī)迫使乙烯的生產(chǎn)選擇新的生產(chǎn)原料，而利用生物乙醇制備乙烯則是一個(gè)很好的方向。生昌國等認(rèn)為，生物乙醇制作乙烯條件溫和，具有勢不可擋的優(yōu)勢，成本低，綠色環(huán)保，是一條可持續(xù)發(fā)展的化工路線。
2.2.4生物柴油的生產(chǎn)技術(shù)
生物柴油的主要成分是脂肪酸甲酯。工業(yè)上生產(chǎn)生物柴油主要有物理法和化學(xué)法。物理法又有混合法和乳化法之分，化學(xué)法主要有酯交換反應(yīng)、高溫?zé)崃呀饧懊复呋确椒āｕソ粨Q反應(yīng)所需生物質(zhì)原料要求不高，生產(chǎn)成本相對較低，應(yīng)用廣泛，工業(yè)生產(chǎn)多采用這種方式。但酯交換反應(yīng)過程存在副產(chǎn)物復(fù)雜、可造成二次污染等問題，生物柴油替代燃料模型和反應(yīng)機(jī)理尚不明確，是生物柴油發(fā)展的一個(gè)瓶頸。但生物柴油在很多方面具有化石柴油所不及的優(yōu)勢，如潤滑性能，燃燒性能等，是一種可再生清潔能源。
2.2.5生物柴油的生物質(zhì)材料
起初的生物柴油是以油料植物的果實(shí)、種子、植物導(dǎo)管乳汁油酯(如大豆、菜籽、棉籽等)及部分含油量較高的野生植物和餐廚垃圾、動(dòng)物油脂等為原料，通過酯交換反應(yīng)工藝制成。生物柴油的原料可來自于動(dòng)、植物油脂，也可來自于各種廢棄食用油、地溝油、化石柴油的回收再利用。我國工業(yè)化生產(chǎn)生物柴油主要以菜籽油、棉籽油、烏桕油、木油、茶油和地溝油為原料制備。胡南方地區(qū)是我國非糧生物柴油能源植物的分布中心，83.9％以上生物柴油能源植物分布在此。
近些年又提出了微藻生物柴油，利用海水培養(yǎng)的微藻含油量很高，產(chǎn)量大，生產(chǎn)綠色無污染，已成為生物柴油產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究的熱點(diǎn)。美國是開發(fā)微藻生物柴油起步最早的國家。微藻為原料制備生物柴油具有培養(yǎng)周期短、產(chǎn)油效率高、油脂質(zhì)量好、環(huán)保、節(jié)省土地，改造空間大等優(yōu)點(diǎn)。_5微藻易養(yǎng)易收，不與糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物爭地，含脂肪酸等生物質(zhì)能巨大，是新型生物柴油原料油源之一，也是未來生物柴油發(fā)展的趨勢之一。國內(nèi)外微藻生物柴油大多處于試驗(yàn)階段，制約微藻生產(chǎn)生物柴油工業(yè)化的一個(gè)重要原因是原料成本高，生物柴油生產(chǎn)成本的75％來自于原料成本，在價(jià)格上，利用微藻生產(chǎn)的生物柴油與化石柴油相比沒有優(yōu)勢。因此，降低微藻產(chǎn)油成本仍是重要的研究方向。
2.3氣態(tài)生物質(zhì)能源的應(yīng)用技術(shù)
2.3.1氣態(tài)生物質(zhì)能源的生成機(jī)理
氣態(tài)生物質(zhì)能源生產(chǎn)方法包括生物發(fā)酵法、生物質(zhì)氣化法。生物質(zhì)在厭氧或缺氧的條件下，添加合適的酶、菌等，便可發(fā)酵為沼氣。沼氣的主要成分是甲烷，沼氣的產(chǎn)生是微生物新陳代謝的結(jié)果，微生物從生物質(zhì)材料中吸收能量，生成甲烷、二氧化碳。生產(chǎn)沼氣的原材料主要為秸稈、畜禽糞便等。尹藝冉等對生物能源產(chǎn)生的熱值進(jìn)行了分析，表明厭氧產(chǎn)甲烷過程更適于水生植物的資源化。
對生物質(zhì)進(jìn)行高溫?zé)峤猓瓷镔|(zhì)在常壓或加壓的條件下，溫度在700℃甚至更高時(shí)，通人適量的氧氣或空氣介質(zhì)，生物質(zhì)可熱裂解，生成含有一氧化碳、氫氣、甲烷、CmHn等可燃混合氣體和二氧化碳、氮?dú)獾炔豢扇細(xì)怏w。這種氣體稱為生物質(zhì)燃?xì)猓兓罂梢怨┸囕v驅(qū)動(dòng)使用。生物質(zhì)氣化制氫是由低品位的一次能源(生物質(zhì)能)向高品位的二次能源(氫能)的高效轉(zhuǎn)化。
另外還有等離子體熱解氣化生物質(zhì)、熔融金屬氣化生物質(zhì)等新技術(shù)，制得的可燃?xì)怏w不含焦油，質(zhì)量優(yōu)良，但有的能耗很高，或部分生產(chǎn)技術(shù)問題未解決，目前仍在研發(fā)階段，未規(guī)模推廣。
2.3.2氣態(tài)生物質(zhì)能源的生產(chǎn)設(shè)備與工藝
目前，生物質(zhì)氣化裝置主要有固定床氣化爐、流化床氣化爐和氣流床氣化爐，熱解氣化爐技術(shù)成熟的主要有固定床和流化床2種，工藝分單床工藝和雙床工藝，單床工藝較為簡單，成本低，能耗低，但生成氣體在氣化爐內(nèi)停留時(shí)間過短，焦油裂解不充分，使得生成氣體中所含焦油量大。焦油通常在800℃以上2～3S內(nèi)即可裂解，因此，提高氣化爐溫度、增加含焦油氣體在氣化爐內(nèi)停留時(shí)間，可進(jìn)一步減少所得氣體的焦油含量。雙床工藝則增加了一個(gè)氣化爐，延長焦油在氣化爐停留時(shí)間，使得焦油進(jìn)一步裂解，但增加的氣化爐需要單獨(dú)加熱升溫，由此也增加了能耗，使成本上升。
2.3.3氣態(tài)生物質(zhì)能源的應(yīng)用于推廣
沼氣和天然氣的主要成分都是甲烷，不同在于甲烷含量。沼氣一般含甲烷60％，天然氣為90％，純化至97％即為車用天然氣，因此沼氣純化后可同天然氣相媲美，又稱為生物天然氣，用途廣泛。在國外，生物天然氣用于熱電聯(lián)產(chǎn)、汽車燃料均已多年。
我國生物質(zhì)氣化產(chǎn)業(yè)在應(yīng)用方面主要為氣化發(fā)電農(nóng)村氣化供氣。沼氣生產(chǎn)工藝簡單，原材料廣泛，因其生產(chǎn)成本低而廣泛的應(yīng)用于農(nóng)村生產(chǎn)生活。我國多地農(nóng)村都建有小型戶用沼氣池，如山東萊西、膠州等地，通過管道和專用沼氣爐進(jìn)行炊事或取暖。另外，沼氣池中的沼渣還可以肥田，沼液可以用作飼料添加劑等，由此，在增加了農(nóng)民收入的情況下，又有效減少了農(nóng)民化肥等的支出。生物質(zhì)氣化集中供氣技術(shù)在我國也被廣泛應(yīng)用，我國第一個(gè)生物質(zhì)氣化集中供氣項(xiàng)目位于山東省桓臺(tái)縣東潘村，1994年建成并投產(chǎn)。工業(yè)用大型沼氣廠可用于發(fā)電、規(guī)模供暖，效益可觀。另外，2011年，廣西南寧已進(jìn)行了車用天然氣的商業(yè)化運(yùn)行。曾中華還探索了將生物質(zhì)氣化技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)窯爐中。
2.3.4氣態(tài)生物質(zhì)能源的缺點(diǎn)
在氣化過程中，因生物質(zhì)材料中含有少量的氮(氣化爐中通入空氣作為介質(zhì)時(shí)也會(huì)增加含氮量)、硫及部分金屬元素，使氣化產(chǎn)生焦油，從而導(dǎo)致氣化爐或者使用氣態(tài)資源的設(shè)備管道易被焦油堵塞。雖然可通過提高熱解溫度的方式減少焦油，但又會(huì)造成高能耗，增加成本。
發(fā)展生物質(zhì)液態(tài)能源和氣態(tài)能源是化石能源替代的戰(zhàn)略重點(diǎn)。氣態(tài)能源和液態(tài)能源產(chǎn)品中常含有雜質(zhì)，不利于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中能源的利用，如焦油等，增加了生物質(zhì)能源使用成本。目前已有很多研究來提高生物質(zhì)產(chǎn)品的利用率，如對生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，改變其物理化學(xué)性質(zhì)，從而使各種反應(yīng)向著有利方向進(jìn)行，以逐步提高氣態(tài)、液態(tài)能源的利用效率。
3總結(jié)與展望
將生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可直接使用的能源物質(zhì)，方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法。物理法主要為粉碎和加熱，工藝簡單，但耗能較高，生物法是進(jìn)行微生物降解，處理時(shí)間相對較長，化學(xué)法主要通過與酸或堿的化學(xué)反應(yīng)，相對耗能低，反應(yīng)快，但工藝相對復(fù)雜，副產(chǎn)物復(fù)雜。
生物質(zhì)能源是綠色、可再生能源，蘊(yùn)藏量巨大，分布廣泛。只要有陽光照射，綠色植物光合作用就不會(huì)停止，生物質(zhì)能則不會(huì)枯竭。生物質(zhì)能源又是可再生能源中唯一可以儲(chǔ)存與運(yùn)輸?shù)哪茉矗@給能源轉(zhuǎn)換和連續(xù)利用帶來方便。我國生物質(zhì)資源儲(chǔ)量豐富，但有效利用率還很低。
化石能源正一步步走向枯竭，而我國的能源消費(fèi)又逐年遞增，2010年中國煤炭消費(fèi)量已占到全球消費(fèi)總量的48.3％，能源安全問題已經(jīng)迫在眉睫。化石能源的集中大量使用給環(huán)境和生態(tài)帶來了巨大的影響，近幾年霧霾天氣逐年增多，日益嚴(yán)重，十八大報(bào)告也已明確提出，要求大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，因此，尋找取代化石能源的清潔的、可再生能源刻不容緩，發(fā)展生物質(zhì)能源也是我國促進(jìn)克霾減排、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的有效手段。
發(fā)展生物質(zhì)能源，不僅可以部分替代化石能源，改善生態(tài)環(huán)境，更在于生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可以形成很長的產(chǎn)業(yè)鏈。生物質(zhì)通常分散于各地，不集中，且與季節(jié)、氣候有關(guān)，這些因素給生物質(zhì)原料的集中帶來了不少麻煩。因此，生物質(zhì)能源的開發(fā)與利用，涉及到農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、工業(yè)、通信、環(huán)保、能源等多行業(yè)，使得生物質(zhì)源材料的種植與養(yǎng)殖、收集、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)、管理等相關(guān)行業(yè)得以相應(yīng)發(fā)展，各環(huán)節(jié)都是生物質(zhì)能源開發(fā)利用中必不可少的。因此，生物質(zhì)能源開發(fā)利用必將帶動(dòng)各產(chǎn)業(yè)協(xié)同統(tǒng)一發(fā)展。
原材料大量來源于農(nóng)林畜牧業(yè)，生物質(zhì)資源的利用將是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，必將直接帶動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，推動(dòng)新農(nóng)村建設(shè)的進(jìn)程。因此，積極發(fā)展生物質(zhì)能源既可以解決國家能源安全問題，又可以有效改善生態(tài)環(huán)境，還可以為農(nóng)林畜牧業(yè)廢棄物增值，增加經(jīng)濟(jì)收入，催生新的產(chǎn)業(yè)鏈，是一個(gè)一舉多得的國家戰(zhàn)略。 |
